Tec Transp 5 10

Prévia do material em texto

Grelhas do
freio dinamico
1.2 Esforc;:otrator em locomotlvas dlesel-ehHrlcas 5
Fig. 1.2:Locomotiva dicsel-clctrica Fig. 1.3:Compol1cl1tcsdo sistcma de tra<;aodas locolllolivas dicscl-
clctricas
As locomotivaselctricase cliesel-elctricasfuncionamcom 0 mesmoprincfpio,
o motorelCtricode trac;ao.A cliferenc;aequeas locomotivasdiesel-elelricas.como
a mostraclana foto da Figura 1.2, sao aulo-suficientese capazesde gerar par si
Illesmasa energiaelctrica necessariaparaa acionamentoclosmoloreseiclricos de
trac;ao.Nas locol11otivaselclricas, a energiaelelrica c geradaem usinas hidroelc-
tricas all tenlloelelricas e etransmitidapara0 trempar meio de tllll lerceiro triIho
(no casodo metro)ou por um cabo localizacloacil11aciavia.
Numa 10comotivadiesel, a ffJrc;aproduzida pelo motor cliesel c transferida
paraas radas l110lrizespor meia de uma translllissiio. Essa lransmissaopode ser
Illecanica, hiclraulicaau elclrica. Nas Iocomotivasc1iesel-elelricas,a transmissao
cia forr;ageradano motor diesel c feila por meio de um sistemaelelrico. 0 que
explica a origem do nomediesel-clhrica.
as componenlesprincipais de uma locomotiva c1iesel-elctricasao moslrados
na Figura 1.3: 0 1/10tordiesel aciona 11111gerador de corrente'continuaque, por
sua vez, forneceelelricicladepara os lIlotores de tmrclo, que sao montadosjunlo
aos eixos molrizes. Esses motoreseletricos de lrar;aofuncionam com corrente
contInua e movem as rodas Illolrizes atravcscleum conjunlo de engrenagensdo
lipo "coroa e pinhao".
o lIS0da lransmissallelClrica pcrmiteoperar0 motor diesel elll rola<;aocons-
tante,de tal forma que 0 consulno de combusliveI e 0 menor possfvel. 0conlrole
da velocidadedo lreme feita variando-sea voltageme a correnteelclrica aplicadas
aos matoresde trac;ao.Nas lacamotivasmodernas.isto c kito all'avesde llln siste-
madecontroleeletronico,conhecidocomo chopper,que,pennitindo lima variac;ao
contfnuada voltagemaplicaclaaos Ino(oresde trar;ao,ll1elhora0 descll1penhodo
motor e reduz 0 consull1ode cnergia cletrica, Esse sistemade controle penl1ile
que 0 sistemamotor diesel-geradoroperecomo ullla fonte de energiade potencia
6
o
'lJ,!
I
Correnteleletrlca
I
I
I
I
I
Correnteeletrica
Fig. 1.4:Caracterfsticasdos
motoreseletricosdetrac;ao
CapItulo1.Mecanlcada locomot;:iiode velculos ferroviiirios
P constante,qualquerque sejaa velocidadeda locomotiva.
As caracterfsticasfundamentaisdos motores de tra~aoeletricos usados em
locomotivas sao mostradasnos diagramasda Figura 104. Num motor e1etricode
lra~ao,a correnteeletrica na armadurado motor e inversamenteproporcional a
velocicladede rota~aoe diretamenteproporcional ao torqueproduzido no eixo do
molor. A velocicladede rota~aodo motordeterminaa velocidadecialocomotivae
o torque,a for~all10trizproduzidapara mover0 lrem.
Observando-se0 diagrama torqueVS. corrente,naparteinferior naFigura lA,
pode-senotarque 0 torque- e, por conseqiicncia,0 esfor~otralor - e diretamente
proporcional acorrenleeletrica: quantomaior a correnteeletrica, maior 0 torque
e, por conseguinte,maior 0 esfor~otrator produzido. 0 diagramada parte su-
perior ll10straque a velocidadede rota~aodo motor e inversamenteproporcional
a correnteeletrica na armadurado molor: uma correnteeletrica elevadaimplica
em baixa velocidadede rola~aodo eixo do motor e, por consegucncia,em baixa
velocidadeda locomotiva.
Os motoresde tra~aopossuemlimites tantoquantoa correnteeletricamaxima
na armaduracomo quantoa velocidadede rota~aodo eixo. Esses Iimiles influem
diretamentenaopera~aodaslocomotivasdiesel-eletricas,como sediscutea seguir.
1.2.1 Limites de opera9iio das Jocomotivas dieseJ-e1etricas
/J\ Limiteda correnteIf4-e/etrleamaxima
N \'1:.. ,\
~ \ \\ \ Limiteda
~ '~~\ . voltagem
o 1':,.. maxima
LL p 898ol1a l
=~~~-~~~~--------J~--~---
Velocldadeda loeomotlva
Fig. 1.5:Limites paraope-
rac;aodemotoreseletricosde
trac;ao
Os 1l10toresde tra~aousadosem locomotivasdiesel-eletricassanprojetaclospara
operarabaixodeumacorrenteeletricamaximaeabaixodeumavoltagemmaxima.
oefeito desteslimites e ilustraclona Figura 1.5.
Na pratica,os limiles determinam0 intervalo de velociclaclesem que a loco-
motiva pode ser operaclasemque seusmotorescletra~aosejamdanificados. Em
baixa rotw;:ao,0 motor de tra~aoprocluzum torque alto, mas a correnteeletrica
na armacluraclo motor e tambemalIa. Se a correntefor excessiva,ocorrera um
super-aquecimentodo molor que podeatecausara suaqueima. Para evitarsuper-
aquecimenlo,0 projetistaclomolor estabeleceum limile maximo paraa corrente
eletrica;esle limite paraacorrenteeletricaestabelecea menorvelocidadeaclmissf-
vel de rola~a()do eixo do mOlore, pOI'conseqUcncia,a mcnor vclocidade que a
locomoliva pode manlerSCIl1que seusmoloressejamprejudicados.
Quando 0 motor funciona em alta rota~ao,a velocidadedo lrem e alta, assim
como tambeme altaa diferen~ade potencialaplicada£10 motor. Entretanto,existe
um limite paraesladiferen~ade potencial,quee estabelecidopelascaraclerfsticas
1.2Esforr;:otratoremlocomotlvasdlesel-ehltrlcas
cloisolamentodo motor.Assim, 0 limiteclevoltagemdeterminaa maiorvelocidacle
de rotar;aodo eixo do motor e, por conseqiicncia, a maior vclocidade em que a
locomotivapode ser operadasemdanosaos seusmotores.
Se a potencia P for mantidaconstante,a relar;aoentre 0 esforr;o trator Ft
e a velocidade V de uma locomotiva tem 0 formato hiperb6lico, como indica a
Equar;ao1.8,aqui repetidaparaa convenienciado leitor:
P
F, =2175-.
V
Usando-sea Equar;ao1.8,pocle-sccOllstruirum grafico como 0ciaFigura 1.5,que
mostraas caracterlsticasdo esforr;otratorde uma locomotiva dicscl-clctrica - a
relar;aoentrea velocidade V eo e,sforr;otrator Ft parauma potencia P constante.
Esta funr;aohiperb61icae umacurvadepotenciacOI/stante(ou isopolencia).
A existcllcia de um limite para a corrente na armaduradeterminaum valor
maximo para a forr;a motriz geradapelos motores da locomotiva, mostrado na
Figura 1.5 pela linha horizontal trac~jacla.Igualmente,a cxistenciade um limite
para a voltagem faz com que a locomotiva nao possa ser operadaacima de uma
certa velocidade, como mostra a Figura 1.5. Assim sendo, a regiao em que e
posslvel operar a locomotiva e a contida entre estes dois limites e a curva de
isopotenciacorrespondentea potenciamaximada 10Colllotiva.Potcncias menores
que a maxima podem ser usadase a funr;ao isopotencia corrcspondentee uma
hiperbole conticlano envelopeciaFigura 1.5,como mostramascurvastracejadas.
Ao contnirio de caminh6es,ascurvasde esforr;otratorCO'ltravelocidadc para
locomotivas diescl-el€tricas san contfnuas para toclasas V( iocidadcs posslveis.
Isso se deve a utilizar;aoda trallsmissaoeletrica de potenci " que pcrmite que a
potenciado motorsejacontinuaeque0 motordieseloperenumamesillavelocidade
de rotar;ao0 tempo todo. Para controle ciavelocidadeem carros e caminh6es,e
necessario variar a velocidade de rotar;aodo motor, por causa cia transmissao
mecanica.Essa variar;aona velocidaclede rotar;aodo motor implica em variac;6es
na suapotencia. Isso e discutido em maiorescletalhesno C tpftulo2, que abordaa
mecanicada locolllor;aoclevefculos rodoviarios.
1.2.2 Tral;ao por aderimcia
Nos vefculos tcrrestresque usam rodas, a trar;aoda-se em funr;aoclo atrito entre
as roclase a via. Sem esseatrito,0 Illovimento naoe posslve!.
Seja umarodade locolllotiva como a mostraclanaFigura 1.6,com raio r e que
suportaUIll peso P. 0torque T, aplicado ao eixo conectadoaroda correspondea
7
N
Fig. 1.6:Fon,:asatuandonu-
Illa roda molriz
8 Capitulo1.Mecanlcada locomo~iiode veiculos ferrovlarlos
urnconjugado T =Ft.r. Na zonadecontatoda wda com 0 trilho, surgeumafor<;a
Fa =N.j, que se op6e ao deslizamentoda wda e e chamadade aderencia. Esta
for<;aedadapelo produtoda normalaopesoN e 0 coeficientede atritoestaticof,
chan1[~dode coejicienfedeaderencia. 0peso P e denominadodepeso aderellfe.
Quando umarodamotrizesubmetidaa urntorqueT eaplicadonarodamotriz,
exislem duaspossibilidades: Ft > F;, ou Ft ~ Fa. Se Ft > Fa, 0 torquee tal a
for<;ade alrilo e insuficienlee a roda fica patinando,semquea locomotivasaiado
lugar. Nesse caso,e 0 atritopassan'ia ser urn alrito de deslizamento,menorque 0
atrito estatico. Se Ft ~ Fa, a for<;ade atrito e suficientepara impedir que aroda
patinee enta~a locomotiva e capaz de se movimentar,sendopropelida pOl'uma
for<;al~.
Fonte: Hay, W. (l9H2) Railroad Engineer;,,!:.
Wiley & SOilS, New York, 2a etli~ao.
Tab. 1.1:Yalorcstfpicosdococficicntede
adercneiaf
A aderencia,portanto,determinaqual amaior for<;amotriz quepo-
de serutilizadaparamovimentar0 veiculo. A limita<;aopelaaderencia
e mais notadanas velocidadesbailj.as,quando a locomotiva esta ini-
ciando0 movimento. Em locomotivasmodernas,existemsensoresque
monitoramasrodasmotrizese, sealgumadelascome<;aa patinaI',um
dispositivo despeja-seautomaticamenteareia na interfacede contato
para,aumentando0 coeficientede aderencia,impedir a patinagem.
o coefieientede aderenciaf naoeurn valor constante,masvaria
com as condic;;6esda superffciedo trilho: seca,molhada, limpa, suja
de oleo ou com gelo (geada)como mostraa Tabela 1.1. No Brasil,
um valor mediocomumenteusadonoscalculos de tra<;ao1e 0,22. Um
trilho umido de orvalho tem fator de aderenciamenor que um trilho
lavadopelachuva,pois aumidadeespalha0 filmedeoleo normalmenle
encontradona superffciedo trilho, aumentandoseu efeito. No trilho
lavadopelachuva,0 oleoetotalmentecarregadopelaaguadachuva,0 quemelhora
ascondi<;5esde aderencia.
(l,33
0,33
0,22
0,20
0,14
0,125
0,11
0,10
AderenciaEstlldo do trilJlO
totalmentesew e Iimpo
lavadopelaehuva
seeoe limpo
seen
molhadopelachuva
umidodcorvalho
umidoe sujo
sujocom61eo
A Figura 1.7 l110slra0 efeito ela limitac;;aopela aelerencia. SeneloT" 0 peso
aderentetolal da 10col11otivae f 0 coeficientedeaderenciaentreas rodasmotrizes
c os lrilhos, a maior for<;amotriz FtOla, que pode ser exercida sem que as rodas
motrizcs patinempodeser determinadopela expressao:
( 1.10)
em que Ftn"" : for<;amotriz maxima [N);
I Brina, II.L. (19H2). Es/mda.\·de Ferm. Livros Tccnicos e Cienlfficos EdilOra S.A., Rio de
Janeiro, v. 2, p. 6.
1.3Reslstenclaao movlmento 9
f: coeficientecleaclerencia;e
T,,: pesoaderenteda locomotiva [N).
Fig. 1.7:Efeilo ciaaclerencianaforr;arnotriz
lLl:nite da CorrenteEletrica
Velocidade
Quaisquercombina,Ges
de velocidadee esfor,o lralor
nesla regiilo siloposslveis com
poMncia menorque a maxima
A limila~aoparaderenciaesempremenorquealimila~aopela
correntcelctrica maxima,como uma farma dc prcvcnir a queima
dos motaresde tra~aopor dcscuido cloopcraclorciamaquina.As-
sim senclo,a areacinza mostraclana Figura 1.7represenlaloclas
as cOlllbina~6esclefor~aIllotriz e velociclaclepossfveiscleserclll
obtidasCOIlluma locolllotiva. A envolt6riarepresentaa curva cle
isopotenciaoblida COIlla polencia maximacialocomoliva. Nole-se quc 0 limite cia
aclerenciac sempremenorque 0 limitc ciacorrentemaxima,para maior prole~ao
clo equipamento. A velocicladem,aximaque pocleser alcan~adapela locomoliva
c determinaclapelo limite da voltagcm, masas regrasdc operar;ao(cleterminaclas
pelo projelo geomclrico e pelo estadocleconservar;aociavia) normalmentefazcm
com que a velociclademaxima seja menorque esselimite.
o peso aderel/teepeso que atuasobre as roclasmolrizes cia
locomotiva. 0 pesototaldeum vefculoea somado pesoaclerente
e do peso marta. 0 peso moNo C 0 pesoque atuasabreas rodas
nao acoplaclasnos eixos tratores. Por isso, paramelhor aprovei-
tamentoclo peso aclerente,e interessanleque todos os eixos das .9
locomolivas sejam eixos mOlrizes,ja quc quanta maior 0 peso ~
morto, menor a fon;a molriz maximaque pocJcser desenvolvida ~
pela locomoliva. Nas locomolivas moclcrnas,lodos os cixos sao ~
motrizes. W
1.3 Resistencia ao movimento
Quando um vclculo terreslreenconlra-seem movimcnlo, surgelll diversas forr;as
que se op6clll ao movimenlo; a csteconjunto de forr;as,da-sc 0 nomc dc res;stel/-
cia 00 lIlov;mel/to. Como moslrado na Figura 1.8,a resistcnciaao movilllcnto e
conlrabalan<;adapcla for~aIllolriz prodllzida pelo molor: sc a for<;aIllotriz F( for
maior que a resistenciaR, 0 vefculo e submeticloa uma acelera<;ao;se I~ < R,
o vClclllo csui dcsaccleranclo;c se I~ = R, 0 vcfculo lllanlclll lIllla vclocicladc·
conslanle.
A resistcncia ao movimenlo de U111 lrem possui quatm componenles princi-
pais: resislcncia cle rolamenlo, rcsislencia acroclinamica,resistcnciade rampa c
resistenciadc curva. A resist(?lIciade rolamentoe causadapela cleforma<;aoda
10 Capitulo1.Mecanlcada locomoyaode veiculos ferroviarlos
roda e do trilho no seuponto de contato;pelo atrito internodo molor; pel~alrilo
enlreeixos e mancais,radase trilhos; pelo balan<;odas radas;pelos choquesentre
as flangesdas rodase os trilhos etc.
A resistenciado ar, tambemehamadaresistellcia aerotiilltlmica ou
arrn.l'to,surgeem fun<;aodo deslocamentociacomposi<;aonaatmosfera
terrestrc,e dcpcndcde fatorestais como a a sec~aotransversalfrontal,
o comprimento, a forma e rugosicladeda superffcieexternadas loco-
motivas e vag5es,a velocidadecom que a composi<;aose clesloca,a
veloeidadee dire<;aodo ventoetc.G
A resistellciade rampa e eausaclapela a<;aoda gravidadeterrestre
Fig. 1.8:Fon;asatllandasahrelIm trem sobre0 lrem, e epositiva (isto e,atuano sentidocontnlrio ao do movi-
nurnarampa mento)numasubida,ou negativa(istoe,atuano sentidodo movimenlo)
numaclescida.0 leitorqueja ancloudebicicletaconheceintuitivamente
o cfeilo da resistenciade rampanasduassitua<;6es.
Alem destestrescomponentesda resistencia,exisle um outro, a resistenciade
CLlrva, que e causaclatantopela for<;acentrffugaque aumenta0 atritoentrearoda
do treme 0 trilho, como pelo fatodequeasradasexternasdo truquesaoarrastadas
numa curva, ja que 0 conjunto formado pelo eixo e as rodas tem a geometriade
um cilinclro.
Assim sendo,a resistenciatotal ao movimenlo, R, de uma composi<;aoferro-
viaria edadapela soma
R=Rr+R,,+R~+R(''--v---' .
R(
(l.ll)
em que R: resistenciatotal ao movimento[N]
Rr: resistenciaclerolamento[N];
R,,: resistenciaaerodinamica[N];
R(: resistenciainerenteao movimento(N];
Rg: resistenciade rampa[N]; e
R,: resistcnciade curva (N].
Os dois liltimos termos da Equac;ao 1.11 so existem, respectivamente,em
trechosinclinados e em curvas.
A soma da resistenciade rolamento, Rr, e da resistenciado ar, R", tem um
significado especial. Esta parcela ciaresistenciatotal e chamadade resisteflcia